Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тип двигателя, в котором энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую работу непосредственно внутри камеры сгорания. В таких двигателях топливо сгорает внутри цилиндра, а высвобождающаяся энергия используется для движения поршня, который, в свою очередь, приводит в движение коленчатый вал и выполняет работу. Рассмотрим, как именно работает этот процесс.
Основные принципы работы ДВС
ДВС работает по циклу, в процессе которого топливо сгорает, создавая высокое давление, которое заставляет поршень двигаться. Этот процесс обычно состоит из нескольких этапов, которые повторяются в цикле. В зависимости от типа двигателя выделяются различные циклы, но наиболее распространёнными являются цикл Отто (для бензиновых двигателей) и цикл Дизеля (для дизельных двигателей).
Цикл Отто состоит из четырёх тактов:
Впуск (I)
Во время этого такта впускной клапан открывается, и поршень двигается вниз. Это создаёт вакуум в цилиндре, в который затягивается смесь воздуха и топлива (в бензиновом двигателе). Смесь обычно поступает через систему впуска, которая регулируется дроссельной заслонкой и впускными клапанами.Сжатие (II)
Когда впускной клапан закрывается, поршень начинает двигаться вверх, сжимая топливно-воздушную смесь. Сжатие повышает давление и температуру смеси. В конце этого такта смесь достигает максимального давления и температуры, что делает её готовой к воспламенению.Рабочий ход (III)
В этот момент происходит воспламенение сжатой смеси. В бензиновом двигателе смесь воспламеняется при помощи искры, подаваемой от свечи зажигания. В результате сгорания смеси выделяется огромное количество тепла, что вызывает резкое расширение газов. Это расширение газа заставляет поршень двигаться вниз, передавая механическую работу на коленчатый вал через систему шатунов. Рабочий ход — это этап, где генерируется основная механическая энергия.Выпуск (IV)
На этом этапе выпускной клапан открывается, и поршень движется вверх, выталкивая отработанные газы через выпускной клапан в выхлопную систему. После этого цикл повторяется.
Цикл Дизеля имеет схожие этапы, но отличается принципом воспламенения топливной смеси:
Впуск (I)
Во время впуска в цилиндр поступает только воздух, без смеси с топливом. Поршень при этом движется вниз, и воздух сжимается в цилиндре, что увеличивает его температуру и давление.Сжатие (II)
В этом такте сжатие воздуха в цилиндре продолжается. Дизельное топливо впрыскивается в сжатый горячий воздух в момент, когда давление и температура достигнут достаточно высоких значений. Из-за высокой температуры воздуха топливо самовоспламеняется, не требуя свечи зажигания.Рабочий ход (III)
Когда топливо воспламеняется, происходят те же процессы, что и в цикле Отто — сгорание приводит к расширению газов, и поршень двигается вниз, передавая механическую энергию.Выпуск (IV)
На этом этапе отработавшие газы выводятся через открытый выпускной клапан, и цикл повторяется.
Конструктивные элементы двигателя
Цилиндр — полость, в которой происходит сгорание топлива. Внутри цилиндра располагается поршень, который выполняет возвратно-поступательное движение.
Поршень — элемент, который перемещается внутри цилиндра, передавая механическую энергию на коленчатый вал. Он имеет кольца для герметизации и предотвращения утечек сжимаемой смеси или отработанных газов.
Шатун — соединяет поршень с коленчатым валом, передавая движение от поршня на коленчатый вал.
Коленчатый вал — вал, который преобразует возвратно-поступательное движение поршня в вращательное движение, которое в дальнейшем передаётся на трансмиссию и колёса автомобиля.
Впускной и выпускной клапаны — регулируют процесс поступления смеси в цилиндр (впуск) и вывод отработанных газов (выпуск).
Свеча зажигания (для бензиновых двигателей) — создаёт искру, которая воспламеняет топливо-воздушную смесь в цилиндре.
Топливный насос и форсунки — в бензиновых двигателях они подают топливо в цилиндр в определённое время, а в дизельных — форсунки распыляют топливо в цилиндре.
Система охлаждения — необходима для поддержания оптимальной температуры работы двигателя, поскольку сгорание топлива сопровождается выделением большого количества тепла.
Преимущества и недостатки
Преимущества ДВС:
Компактность и высокая мощность.
Относительно простота конструкции.
Широкое распространение и доступность запчастей.
Недостатки ДВС:
Эффективность и КПД ограничены (обычно около 20-30%).
Сжигание топлива сопровождается выбросами углекислого газа, оксидов азота, углеводородов и других загрязняющих веществ.
Зависят от ископаемых топлив (бензин, дизель), что делает их уязвимыми к колебаниям цен и дефициту топлива.
Современные тенденции и развитие
Турбонаддув и интеркулеры — современные двигатели часто используют турбонаддув, чтобы увеличить мощность при меньших размерах двигателя. Турбина использует выхлопные газы для того, чтобы сжать входящий воздух, что позволяет получить больше кислорода для сгорания и, как следствие, повысить эффективность.
Гибридные системы — объединение двигателя внутреннего сгорания с электрическим двигателем для улучшения топливной экономичности и уменьшения вредных выбросов.
Электрические автомобили — хотя двигатели внутреннего сгорания доминируют на рынке автомобилей, растущая популярность электромобилей и развитие аккумуляторных технологий могут в будущем привести к отказу от ДВС в пользу более экологичных альтернатив.
Таким образом, двигатель внутреннего сгорания представляет собой сложную механическую систему, которая превращает химическую энергию топлива в механическую работу с помощью нескольких ключевых процессов.
